Capítulo: 4
Planejamento das Energias Renováveis:
Solar e Eólica
Universidade Federal de Paraná Setor de Tecnologia
Departamento de Engenharia Elétrica
Solar e Eólica
Parte V
• Energia Fotovoltaica (reportagem 10 min.):
•
https://www.youtube.com/watch?v=gzyit0sJc
oU
• MPX - Ceará tem primeira usina de energia
• MPX - Ceará tem primeira usina de energia
solar do Brasil (21 Min):
•
https://www.youtube.com/watch?v=N9mxM
• Irradiança
(Radiaçao):
• Potencia por metro quadrado W/m2. Uma
densidade de Potencia.
• Insolação(
Irradiação)
:
Energia por metro
quadrado durante um período de tempo,
recebida pelo sol ao nivel do solo em
determinado local. Exemplo Wh/m2/dia.
recebida pelo sol ao nivel do solo em
determinado local. Exemplo Wh/m2/dia.
• Onde conseguir esses dados:
– Mapas de insolação. Estudos de potencial solar.
– Base de dados: Sundata, calculadora solar, Radiasol,
SWERA.
• Ainda segundo NOTA TÉCNICA EPE - Análise da Inserção da Geração Solar na Matriz Elétrica Brasileira (2012), a irradiação média anual brasileira na Matriz Elétrica Brasileira (2012), a irradiação média anual brasileira varia entre 1.200 e 2.400 kWh/m2/ano, valores que são significativamente superiores a maioria dos paises europeus, cujas estatísticas indicam intervalos entre 900 e 1.250 kWh/m2/ano na Alemanha, entre 900 e 1.650 kWh/m2/ano na França e entre 1.200 e 1.850 kWh/m2/ano na Espanha. • Mesmo sendo bastante inferior às áreas de maior insolação, como as
regiões secas de baixas latitudes como o nordeste brasileiro, Curitiba apresenta uma média de irradiação solar superior à Alemanha, que é ícone mundial em produção e consumo de energia solar fotovoltaica e em 2009 contava com cerca de 15 GW de potência instalados, correspondendo a cerca de 53% do potencial instalado mundial (EPIA,
Movimentos da Terra
•
http://www.youtube.com/watch?v=HB9-Eol7CGI
Ângulo azimutal
• A incidência dos raios solares na terra forma um ângulo
que quando comparado com o norte geográfico é
chamado de azimutal, mudando com o passar do dia
em função da trajetória do sol, ou seja, um observador
localizado no hemisfério sul olhando para o Norte,
localizado no hemisfério sul olhando para o Norte,
observará o Sol com ângulos variáveis ao longo do dia.
• Sendo que ao meio dia solar o ângulo azimutal será
nulo ou zero estando o Sol exatamente em sua frente.
Para observadores no hemisfério norte, o ângulo
azimutal é tomado em relação ao sul geográfico.
• Para a correta instalação do módulo fotovoltaico deve-se levar em consideração o movimento do sol. Se um módulo for instalado com sua face voltada para o Leste, receberá raios solares apenas no período da manha, de maneira análoga se instalado com sua face voltada para o Oeste, receberá os raios solares apenas no período da tarde, gerando desta forma energia em apenas uma parte do dia. • Assim conclui-se que a melhor forma é instalar o módulo
com sua face captora voltada para o norte geográfico, resultando em um melhor aproveitamento da luz solar, pois resultando em um melhor aproveitamento da luz solar, pois há raios incidindo nos módulos durante todo o dia.
• Para encontrar o norte geográfico pode-se utilizar uma bússola, pois a agulha da mesma sempre fica alinhada no sentido das linhas de campo magnético da Terra, porém para descobrir a direção do norte geográfico deve-se utilizar um mapa ou uma tabela com os ângulos de correção, estes ângulos variam com a localização geográfica
Altura solar
• A trajetória do Sol varia ao longo do ano, sendo que o Sol nasce e se põe em diferentes pontos do céu, isso ocorre devido ao ângulo de declinação solar. Essa variação da trajetória do Sol faz com que o mesmo tenha diferentes alturas no céu, sendo que no verão a altura do Sol é maior, o que significa que os raios incidem na terra com um ângulo azimutal menor e percorrem uma massa de ar o que significa que os raios incidem na terra com um ângulo azimutal menor e percorrem uma massa de ar reduzida. Já no inverno ocorre o oposto.
• O ângulo que a trajetória do Sol faz com o plano horizontal é chamado de ângulo da altura solar . Este ângulo depende também da posição geográfica, sendo que quanto mais próximo a linha do equador maior a altura solar, o oposto ocorre quando aproxima-se dos pólos.
Ângulo de incidência dos raios solares
• A forma como os raios solares incidem na
superfície do módulo varia com vários fatores.
O ângulo β de incidência dos raios solares
sobre a superfície é definido em relação à reta
sobre a superfície é definido em relação à reta
perpendicular à superfície do módulo. Este
ângulo varia com a variação do ângulo da
altura solar . Tem-se o melhor aproveitamento
quando o ângulo β é zero, ou seja, a incidência
dos raios é perpendicular ao módulo.
Escolha do ângulo de inclinação dos
módulos solar
• Mecanismo de seguidor solar são justificados em
aplicações de grande porte, com volume de
energia gerada elevada.
• Em sistemas de pequeno porte ângulo de
• Em sistemas de pequeno porte ângulo de
inclinação do painel fixo apresentam o melhor
custo benefício. Por isso, para se obter o melhor
rendimento é fundamental que os módulos
sejam instalados com ângulos α adequados, pois
este muda conforme a localização do painel.
Escolha do ângulo de inclinação dos
módulos solar
• É importante ressaltar que não se aconselha a
instalação com ângulos menores que 10º para
evitar o acúmulo de poeira sobre o módulo.
• É importante ressaltar que não se aconselha a
• É importante ressaltar que não se aconselha a
instalação com ângulos menores que 10º para
evitar o acúmulo de poeira sobre o módulo.
Escolha do ângulo de inclinação dos módulos solar
• Exemplo: Centro Politécnico tem uma latitude
de 25 S. Logo o ângulo de inclinação alfa
Resumindo:
• Orientar o módulo com sua fase voltada para
o norte geográfico.
• Ajustar o ângulo de inclinação do módulo
com relação ao solo.
Tecnologias de Celulas Fotovoltaicas
•
https://www.youtube.com/watch?v=ZDnCiBl6
lmI
•
https://www.youtube.com/watch?v=XK6ylmG
m74k
m74k
• Discovery:
•
https://www.youtube.com/watch?v=lI4587Y8j
FE
O efeito fotovoltaico
• O efeito fotovoltaico ocorre quando a luz incide em um material semicondutor específico, como a célula fotovoltaica.
• Nela, o material semicondutor é composto por silício e recebe propriedades dopantes que o dividem eu duas camadas: de material N e de material P.
camadas: de material N e de material P.
• O material N possui um excedente de elétrons e o material P apresenta falta de elétrons.
• Devido à diferença de concentração de elétrons nas duas camadas de materiais, os elétrons da camada N fluem para a camada P e criam um campo elétrico dentro de uma zona de depleção, também chamada de barreira de potencial, no interior da estrutura da célula.
O efeito fotovoltaico
• A camada superior de material N de uma célula
fotovoltaica é tão fina
que a luz pode penetrar
nesse material e descarregar sua energia sobre os
elétrons, fazendo com que eles tenham energia
suficiente para vencer a barreira de potencial e
movimentar-se da camada P para a camada N.
suficiente para vencer a barreira de potencial e
movimentar-se da camada P para a camada N.
• Os elétrons em movimento são coletados pelos
eletrodos metálicos da célula fotovoltaica.
• Se houver um circuito fechado, os elétrons vão
circular em
direção aos eletrodos da camada P
,
formando assim uma corrente elétrica.
Silício Monocristalino
• A célula de silício monocristalino é a mais amplamente utilizada comercialmente, de processo construtivo relativamente simples e boa eficiência comparada às células de cristal policristalino e amorfo, entre 12% e 16% para uso comercial.
• O silício é fundido juntamente com uma pequena quantidade de dopante tipo P, normalmente o Boro, e então cortada em finas fatias de aproximadamente 0,3 mm. Após o corte e limpeza de fatias de aproximadamente 0,3 mm. Após o corte e limpeza de impurezas, é adicionado o dopante tipo N.
• Uma célula monocristalina tem aspecto uniforme, podendo apresentar coloração azulada ou preta, dependendo do tipo de tratamento antirreflexivo empregado. As células de silício monocristalino são as mais eficientes disponíveis comercialmente em larga escala.
Silício Policristalino
• O silício policristalino tem um processo de fabricação
mais simples, que utiliza temperaturas mais baixas do
que
as
empregadas
na
fabricação
do
silício
monocristalino o que acarreta uma perda na eficiência,
chegando no máximo a 12,5%, mas ganha-se no baixo
chegando no máximo a 12,5%, mas ganha-se no baixo
custo de fabricação.
• Os módulos fotovoltaicos policristalinos têm eficiências
ligeiramente
inferior
às
dos
seus
concorrentes
monocristalinos,
entretanto, as duas tecnologias
coexistem no mercado e apresentam relações
custo-benefício muito próximas.
Sistemas Fotovoltaicos
• As células fotovoltaicas, devido a suas
dimensões construtivas, apresentam baixa
tensão e corrente de saída, tipicamente 3 A e
0,7 V para células de silício monocristalino.
Sendo
assim,
agrupam-se
várias
células
Sendo
assim,
agrupam-se
várias
células
fotovoltaicas
para
compor
um
módulo
fotovoltaico. Este arranjo geralmente é feito
em série, para se obter uma tensão de saída
mais elevada e compatível com as tensões de
consumo, geralmente 12 ou 24 V.
Módulos fotovoltaicos
• A célula fotovoltaica é o menor dispositivo fotovoltaico existente. • Uma célula produz pouca eletricidade, então várias células são
ligadas sem série para produzir painéis ou módulos fotovoltaicos. • Um módulo fotovoltaico é composto de um número de células
coladas sobre uma estrutura rígida e ligadas eletricamente em série para proporcionar tensões de saída maiores.
• Os módulos fotovoltaicos de silício cristalino encontrados no • Os módulos fotovoltaicos de silício cristalino encontrados no mercado, como os ilustrados na Figuras, apresentam potências de pico entre 85 W e 255 W. Suas tensões máximas de saída em circuito aberto vão até aproximadamente 37 V e podem fornecer em torno de 8,5 A de corrente elétrica.
